JP6129062B2 - 車両用空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される車両用空気調和装置に関するものである。

従来、列車等において車両天井に搭載されたヒートポンプ式の車両用空気調和装置は、筐体内に圧縮機及び送風機等が配置されており、天井から冷風又は温風が車両内へ吹き出す構造になっている。空気の特性上、冷えた空気は下方へ、暖められた空気は上方へ対流するため、冷たい空気が足元に溜まり暖かい空気が天井に溜まりやすい。そこで、従来から天井に溜まった暖気を攪拌するための種々の方法が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。特許文献１には、天井の温度が設定温度を超えたとき、天井に取り付けられた車両内ファンが駆動する車両用空気調和装置が開示されている。特許文献２には、空気調和装置から供給される冷気は天井側から吹き出し、暖気は床側から吹き出すように吹出口を切り替える車両用空気調和装置が開示されている。

特開昭６２−２１６８６１号公報 実開昭６１−１３１３６７号公報

しかしながら、特許文献１のように、室内送風機を駆動して車両内の空気を撹拌した場合、天井に溜まった暖気が下側に送風されるのみであるため、効率的に撹拌を行うことができない。その結果、空気調和装置から吹き出された暖気をそのまま、空気調和装置が吸い込むことにより（ショートサーキット）、冷媒圧力の異常昇圧等が引き起こされ、圧縮機および空気調和装置が停止し、車両内を十分に暖房することができない状況になる。また、特許文献２のように、冷気と暖気とが異なる吹出口から供給される場合、切り替えるための構造及び床側まで暖気を導風する構造が必要になり、構造が複雑になってしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、簡単な構成で暖房運転時に天井に溜まる暖気と床に溜まる冷気を効率的に攪拌することができる車両用空気調和装置を得るものである。

本発明の車両用空気調和装置は、車両の屋根に設置され、車両内の天井に形成された吸込口から車両内の空気を吸い込み、車両内の天井に形成された吹出口から車両内に冷気又は暖気を供給する車両用空気調和装置であって、圧縮機と、流路切替器と、熱源側熱交換器と、絞り装置と、利用側熱交換器とが冷媒配管により接続されており、流路切替器を切り替えることにより冷房運転及び暖房運転を行う冷凍サイクル回路と、車両内の天井の温度を天井温度として検出する天井温度センサと、車両内の床の温度を床温度として検出する床温度センサと、暖房運転時において、天井温度センサにより検出された天井温度と、床温度センサにより検出された床温度との差分が、設定温度しきい値よりも大きい場合に、熱源側熱交換器の除霜運転を開始する制御部と、を備え、制御部は、除霜運転を開始する場合、冷凍サイクル回路が冷房運転時の冷媒流路になるように流路切替器を切り替えて車両の天井から車両内へ冷気が供給されるように制御するものである。

本発明の車両用空気調和装置によれば、除霜運転時に室内送風機から供給される冷気が天井の吹出口から車両内へ供給されることにより、吹出口から吹き出される冷気が天井に溜まった暖気とともに下方へ導かれるため、新たな構成を追加することなく天井に溜まる暖気と床に溜まる冷気とを効率的に攪拌することができる。

本発明の実施形態１に係る車両用空気調和装置が搭載された車両の模式図である。 図１の車両用空気調和装置の車内の様子を示す模式図である。 図１の車両用空気調和装置の車内の様子を示す模式図である。 図１の車両用空気調和装置における冷凍サイクル回路の一例を示す冷媒回路図である。 従来の車両用空気調和装置の車内の様子を示す断面模式図である。 本発明の実施形態２に係る車両用空気調和装置を示す模式図である。 図６の車両用空気調和装置の動作例を示すフローチャートである。

実施形態１．
以下、図面を参照しながら本発明の車両用空気調和装置の実施形態について説明する。図１は車両用空気調和装置が搭載された車両の模式図、図２及び図３は図１の車両用空気調和装置の車内の様子を示す模式図であり、図１から図３を参照して車両用空気調和装置１について説明する。車両用空気調和装置１は、車両２の屋根３に搭載される車両用の空気調和装置であって、車両２の屋根３上に設置されている。車両２の屋根３側には化粧面である天井４が設置されており、天井４には車両２内の空気を吸い込む吸込口５と、車両用空気調和装置１から供給される冷気又は暖気を車両２内に吹き出す吹出口６とが形成されている。なお、車両２の屋根３には吸込口５及び吹出口６に通じる開口が形成されている。そして、車両用空気調和装置１は、吸込口５から車両２内の空気を吸い込み、吹出口６から車両２内に冷気又は暖気を供給する。

図４は図１の車両用空気調和装置における冷凍サイクル回路の一例を示す冷媒回路図である。車両用空気調和装置１は、冷房運転及び暖房運転が可能なヒートポンプ式の空気調和装置であって、圧縮機１１、熱源側熱交換器１３、室外送風機１４、利用側熱交換器１６を冷媒配管で接続した冷凍サイクル回路１０を備えている。

圧縮機１１は、例えばベーン圧縮機もしくはスクリュー圧縮機等からなっており、冷媒を吸引し圧縮するものである。流路切替器１２は、例えば四方弁等からなっており、圧縮機１１の吐出側に接続されている。そして、流路切替器１２は、冷房運転時には圧縮機１１の吐出側と熱源側熱交換器１３とを接続するとともに、利用側熱交換器１６と圧縮機１１の吸入側とを接続する冷房流路に設定される。一方、流路切替器１２は、暖房運転時には圧縮機１１の吐出側と利用側熱交換器１６とを接続するとともに、熱源側熱交換器１３と圧縮機１１の吸入側とを接続する暖房流路に設定される。

熱源側熱交換器１３は、冷媒と外気との熱交換を行うものであって、冷房運転時には冷媒を凝縮して液化させる凝縮器として機能し、暖房運転時には冷媒を蒸発させて気化させる蒸発器として機能する。熱源側熱交換器１３には室外送風機１４から送風が行われるようになっている。絞り装置１５は、冷媒の圧力を調整する減圧弁や膨張弁として機能し、熱源側熱交換器１３と利用側熱交換器１６との間に接続されている。利用側熱交換器１６は冷媒と外気との熱交換を行うものであり、冷房運転時には冷媒を凝縮して液化させる凝縮器として機能し、暖房運転時には冷媒を蒸発させて気化させる蒸発器として機能する。また、図３に示すように、車両用空気調和装置１は、吸込口５から車両２内の空気を吸い込んで利用側熱交換器１６に供給するとともに、利用側熱交換器１６において熱交換された冷気又は暖気を吹出口６から車両２内へ供給する室内送風機１７を有している。

図１から図４を参照して車両用空気調和装置１の冷房運転時における冷媒の流れについて説明する。まず、圧縮機１１において冷媒が高温・高圧に圧縮され熱源側熱交換器１３に流入する。熱源側熱交換器１３に流入した冷媒は、室外送風機１４により取り込まれた外気と熱交換を行い凝縮液化する。そして、凝縮液化した冷媒は利用側熱交換器１６に流入する。利用側熱交換器１６に流入した冷媒は、絞り装置１５で減圧されて低圧二相状態の冷媒に変化する。その後、冷媒は利用側熱交換器１６で車両２内の空気と熱交換して蒸発ガス化する。この際、室内送風機１７により熱交換後の冷気が吹出口６から車両２内へ供給される。その後、蒸発ガス化した冷媒は、利用側熱交換器１６から再び圧縮機１１に吸入される。

次に、図１から図４を参照して車両用空気調和装置１の暖房運転時における冷媒の流れについて説明する。まず、圧縮機１１において冷媒が高温・高圧に圧縮され利用側熱交換器１６に流入する。利用側熱交換器１６において冷媒は車両２内の空気と熱交換されて凝縮液化する。この際、室内送風機１７により熱交換後の暖気が吹出口６から車両２内に供給される。その後、凝縮液化した冷媒は絞り装置１５を介して熱源側熱交換器１３に流入する。熱源側熱交換器１３に流入した冷媒は、室外送風機１４により取り込まれた外気と熱交換を行い蒸発ガス化する。そして、蒸発ガス化した冷媒は、利用側熱交換器１６から再び圧縮機１１に吸入される。

図１に示すように、車両用空気調和装置１は、冷房運転及び暖房運転の切り替え及び運転時の冷凍サイクル回路１０の動作を制御する制御部２０を有している。特に、制御部２０は、暖房運転が行われている際に熱源側熱交換器の除霜運転が行われるように冷凍サイクル回路１０を制御する機能を有している。なお、暖房運転時における除霜運転の開始タイミングは、たとえば一定期間毎等の公知の手法を用いることができる。ここで、制御部２０は、除霜運転時において冷凍サイクル回路１０が冷房運転時の冷媒流路になるように流路切替器１２を切り替えて天井４から車両２内へ冷気が供給されるように制御する（リバースサイクルデフロスト）。

すると、図３に示すように、利用側熱交換器１６において冷媒と熱交換された冷気が吹出口６から車両２内へ流れ込む。天井４から車両２内へ流れ込んだ冷気は天井４側に溜まった暖気を伴って床７へ向かう空気流を生成する。これにより、車両２内の空気の撹拌を行うことができる。

このとき、制御部２０は、上述した除霜運転時に車両２内に送風が行われるように室内送風機１７を制御する。これにより、冷気による車両２内の空気の撹拌に加えて室内送風機１７による撹拌を行うことができるため、車両２内の空気の撹拌をより効果的に行うことができる。特に、制御部２０は、室内送風機１７による送風強度を調節する機能を有しており、除霜運転時には室内送風機１７の送風強度が弱くなるように制御する。すると、除霜運転時の室内送風機１７が低速運転を行う場合、送風により車両２内を冷やし過ぎることなく乗客の快適性を保ったまま車両２内の空気の撹拌を行うことができる。

上記実施形態１によれば、除霜運転時に室内送風機１７を駆動して吹出口６から車両２内に吹き込む冷気及び天井４にたまった暖気を下方に送り込んで車両２内の空気の撹拌を行うことができ、ショートサーキットによる暖房効率の低下を抑制することができる。すなわち、従来の図５の示すように、室内送風機１７のみを駆動させた場合、天井４に溜まった暖気が下側に送風されるのみであるため、効率的な撹拌を行うことができない。一方、車両用空気調和装置１においては、図３に示すように、リバースサイクルデフロストによる除霜運転を行い吹出口６から車両２内へ冷気が流れるようにしているため、新たな構成を追加することなく効率的な空気の撹拌を行うことができる。

実施形態２．
図６は本発明の実施形態２に係る車両用空気調和装置を示す模式図であり、図６を参照して車両用空気調和装置１００について説明する。なお、図６の車両用空気調和装置１００において、図１〜図５の車両用空気調和装置１と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図６の車両用空気調和装置１００が図１〜５の車両用空気調和装置１と異なる点は、車両２内における天井４の天井温度Ｔｒと床７の床温度Ｔｆとに基づいて除霜運転の開始タイミングを制御することである。

具体的には、車両用空気調和装置１００は、車両２内の天井４の温度を天井温度Ｔｒとして検出する天井温度検出センサ１０１と、床７の温度を床温度Ｔｆとして検出する床温度検出センサ１０２とを備えている。そして、天井温度検出センサ１０１及び床温度検出センサ１０２においてそれぞれ検出された天井温度Ｔｒ及び床温度Ｔｆは制御部２０に送られる。そして、制御部１２０は、暖房運転時に天井温度Ｔｒと床温度Ｔｆとの差分ΔＴが、設定温度しきい値Ｔｒｅｆよりも大きい場合、リバースサイクルデフロストによる除霜運転を開始するように制御する。なお、制御部１２０は、通常の着霜の除去のために除霜運転の開始を制御するとともに、上述した差分ΔＴに基づく除霜運転を制御するものであってもよい。また、制御部１２０は、除霜運転中において、上記実施形態１のように室内送風機１７を駆動させるように制御してもよい。

図７は図６の車両用空気調和装置の動作例を示すフローチャートであり、図６及び図７を参照して車両用空気調和装置の動作例について説明する。まず、暖房運転が開始されている際、天井温度検出センサ１０１において天井温度Ｔｒが検出され、床温度検出センサ１０２において床温度Ｔｆが検出される（ステップＳＴ１１）。その後、制御部２０において天井温度Ｔｒと床温度Ｔｆとの差分ΔＴが算出され、差分ΔＴが設定温度しきい値Ｔｒｅｆよりも大きいか否かが判定される（ステップＳＴ１２）。差分ΔＴが設定温度しきい値Ｔｒｅｆよりも大きい場合、暖房効率の低下が生じる可能性があると判断してリバースサイクルデフロストによる除霜運転が開始される（ステップＳＴ１３）。この際、実施形態１に示すように、室内送風機１７が駆動し車両２内に送風を行うようにしてもよい。そして、所定期間の除霜運転が行われた後、冷凍サイクル回路１０の冷媒流路が暖房運転時の冷媒流路に切り替えられて暖房運転が再開する（ステップＳＴ１４）。

このように、車両２内における天井４と床７との差分ΔＴに基づいて除霜運転の開始タイミングを制御することにより、車両２内がショートサーキットが生じる可能性がある状態になったとき、吹出口６から供給される冷気を用いて車両２内の空気を撹拌することができるため、天井４に暖気が溜まることによるショートサーキットを確実に防止することができる。また、実施形態１と同様、冷気を用いて空気を撹拌するため、新たな構成を追加することなく効率的な空気の撹拌を行うことができる。

本発明の実施形態は、上記実施形態１、２に限定されない。たとえば、上記実施形態１、２において、除霜運転時に冷気をそのまま車両２内に吹き出す場合について例示しているが、吹出口６に電気ヒータ等の除霜運転時の冷気を車両２内の温度よりも低い温度の範囲内で加熱する加熱手段が設置されていてもよい。そして、制御部２０、１２０は、除霜運転と同時に加熱手段を稼働させ、除霜運転時に吹出口６から冷気を吹き出す際、加熱手段により冷気を加熱した後に吹き出すようにしてもよい。これにより、冷気除霜運転時の冷気がそのまま室内に吹き出されたときに、冷気が車両２内の温度を低下させるのを抑制しながら、車両２内の空気を撹拌させることができる。

また、図７において、差分ΔＴに基づいて除霜運転の開始タイミングを制御する場合について例示しているが、除霜運転後に差分ΔＴが所定のしきい値よりも小さくなった場合に除霜運転が終了するように制御してもよい。これにより、車両２内への必要以上の冷気の供給を防止することができる。

１、１００ 車両用空気調和装置、２ 車両、３ 屋根、４ 天井、５ 吸込口、６ 吹出口、７ 床、１０ 冷凍サイクル回路、１１ 圧縮機、１２ 流路切替器、１３ 熱源側熱交換器、１４ 室外送風機、１５ 絞り装置、１６ 利用側熱交換器、１７ 室内送風機、２０、１２０ 制御部、１０１ 天井温度検出センサ、１０２ 床温度検出センサ、Ｔｆ 床温度、Ｔｒ 天井温度、Ｔｒｅｆ 設定温度しきい値、ΔＴ 差分。

Claims (3)

1. 車両の屋根に設置され、前記車両内の天井に形成された吸込口から前記車両内の空気を吸い込み、前記車両内の天井に形成された吹出口から前記車両内に冷気又は暖気を供給する車両用空気調和装置であって、
   圧縮機と、流路切替器と、熱源側熱交換器と、絞り装置と、利用側熱交換器とが冷媒配管により接続されており、前記流路切替器を切り替えることにより冷房運転及び暖房運転を行う冷凍サイクル回路と、
   前記車両内の天井の温度を天井温度として検出する天井温度センサと、
   前記車両内の床の温度を床温度として検出する床温度センサと、
   暖房運転時において、前記天井温度センサにより検出された前記天井温度と、前記床温度センサにより検出された前記床温度との差分が、設定温度しきい値よりも大きい場合に、前記熱源側熱交換器の除霜運転を開始する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記除霜運転を開始する場合、前記冷凍サイクル回路が冷房運転時の冷媒流路になるように前記流路切替器を切り替えて前記車両の天井から前記車両内へ冷気が供給されるように制御することを特徴とする車両用空気調和装置。
2. 前記利用側熱交換器において冷媒と熱交換された冷気または暖気を前記吹出口から前記車両内へ送風する室内送風機をさらに備え、
   前記制御部は、前記除霜運転を行う際に前記室内送風機を駆動させることを特徴とする請求項１に記載の車両用空気調和装置。
3. 前記制御部は、前記室内送風機の運転速度を調整する機能を有するものであって、前記除霜運転を行う際に前記室内送風機が低速運転するように制御するものであることを特徴とする請求項２に記載の車両用空気調和装置。

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